Структура диффузионного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя.
Турбулентное называется беспокойное, закрученное вихрями пламя постоянно меняющейся формы.
при увеличении расхода, пламя меняет свою форму и становится беспокойным, закрученным вихрями, постоянно меняющейся формы, это – турбулентное пламя.
Такое поведение пламени при турбулентном режиме объясняется тем, что в зону горения начинает поступает гораздо большее количество горючего газа, то есть в момент времени должно окисляться все больше и больше горючего, что приводит к увеличению размеров пламени и дальнейшей его турбулизации.
Фронт пламени – тонкий поверхностный слой, ограничивающий пламя, непосредственно в котором протекают окислительно-восстановительные реакции.
Толщина фронта пламени невелика, она зависит от газодинамических параметров и механизма распространения пламени (дефлаграционный или детонационный) и может составлять от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Внутри пламени практически весь объем занимают горючие газы (ГГ) и пары. Во фронте пламени находятся продукты горения (ПГ). В окружающей среде находится окислитель.
Схема диффузионного пламени газовой горелки и изменение концентраций горючих веществ, окислителя и продуктов горения по сечению пламени приведены на рис. 1.2.
Толщина фронта пламени разнообразных газовых смесей в ламинарном режиме составляет 0,5 – 10 -3 см. Среднее время полного превращения топлива в продукты горения в этой узкой зоне составляет 10 -3 –10 -6 с.
Зона максимальных температур расположена на 5-10 мм выше светящегося конуса пламени и для пропан-воздушной смеси составляет порядка 1600 К.
Диффузионное пламя возникает при горении, когда процессы горения и смешения протекают одновременно.
Как отмечалось ранее, главное отличие диффузионного горения от горения заранее перемешанных горючих смесей состоит в том, что скорость химического превращения при диффузионном горении лимитируется процессом смешения окислителя и горючего, даже если скорость химической реакции очень велика, интенсивность горения ограничена условиями смешения.
Важным следствием этого представления является тот факт, что во фронте пламени горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении. В каких соотношениях не находились бы подаваемые раздельно потоки окислителя и горючего, фронт пламени всегда устанавливается в таком положении, чтобы поступление реагентов происходило в стехиометрических соотношениях. Это подтверждено многими экспериментами.
Движущей силой диффузии кислорода в зону горения является разность его концентраций внутри пламени (С О = 0) и в окружающем воздухе (начальная С О = 21%). С уменьшением этой разности скорость диффузии кислорода уменьшается и при определенных концентрациях кислорода в окружающем воздухе – ниже 14-16 %, горение прекращается. Такое явление самопроизвольного затухания (самозатухания) наблюдается при горении в замкнутых объемах.
Каждое пламя занимает в пространстве определенный объем, внешние границы которого могут быть четко или нечетко ограничены. При горении газов форма и размеры образующегося пламени зависят от характера исходной смеси, формы горелки и стабилизирующих устройств. Влияние состава горючего на форму пламени определяется его влиянием на скорость горения.
Высота пламени является одной из основных характеристик размера пламени. Это особенно важно при рассмотрении горения и тушения газовых фонтанов, горения нефтепродуктов в открытых резервуарах.
Высота пламени тем больше, чем больше диаметр трубы и больше скорость истечения, и тем меньше, чем больше нормальная скорость распространения пламени.
Для заданной смеси горючего и окислителя высота пламени пропорциональна скорости потока и квадрату диаметра струи:
где - скорость потока;
Диаметр струи;
Коэффициент диффузии.
Но при этом форма пламени остается неизвестной и зависит от естественной конвекции и распределения температур во фронте пламени.
Эта зависимость сохраняется до определенного значения скорости потока. При возрастании скорости потока пламя турбулизируется, после чего прекращается дальнейшее увеличение его высоты. Этот переход совершается, как уже отмечалось, при определенных значениях критерия Рейнольдса.
Для пламен, когда происходит значительное выделение несгоревших частиц в виде дыма, понятие высота пламени теряет свою определенность, т.к. трудно определить границу сгорания газообразных продуктов в вершине пламени.
Кроме того, в пламенах, содержащих твердые частицы, по сравнению с пламенами, содержащими только газообразные продукты сгорания, значительно возрастает излучение.
При
горении движущейся смеси, результирующая
скорость распространения пламени будет
складываться из сумм
.
Условие, что фронт пламени будет
стационарным (т.е. неподвижным), это
- результирующая скорость равняется
нулю,
.
В качестве модели рассмотрим горелку Бузена.
При подачи газа и воздуха в устье трубки со скоростью W , будет образовываться конус, при этом увеличение скорости поведет за собой увеличение высоты (поверхности) конуса, и уменьшение угла при вершине. Или также возможно обратное явление.
4.3. Процессы в плоском фронте пламени.
Р
ассмотрим
фронт пламени. Он будет составлять узкую
область, гдеh
ф
– толщина фронта, аh
х
– толщина химической зоны реакции.
При этом его можно разбить на 2 зоны:
зона подогрева и зона реакции.
В 1 зону поступает свежая смесь газа и
воздуха, концентрация газа в воздухе
остается постоянной т.к. химическая
реакция еще не началась, а только идет
подогрев за счет тепла выделяющегося
в зоне реакции. Она начинается там, где
теплоподвод становится равным теплоотводу,
или на языке математики
,
что соответствует температуре
воспламененияT
B
.
В зоне подогрева теплоподвод больше
теплоотвода
,
а в зоне реакции
.
Транспорт тепла во фронте пламени
осуществляется теплопроводностью. А
максимум тепловыделения лежит в зоне
реакции, и снижается до 0 в конце фронта.
На распространение фронта пламени влияет не только скорость химической реакции, но и транспорт веществ и продуктов сгорания.
4.4 Стабилизация ламинарного фронта пламени.
П
ри
подачи реально газа в горелку скорость
распространения изменяется от максимума
в центре, к своему минимальному значению
на периферии. Фронт пламени при этом
искривляется от конической формы. И
нормальной скорости распространения
пламени удается компенсировать только
,
а другая составляющая
будет
сносить точку к вершине факела. На
периферии за счет охлаждающей способности
стенокU
n
значительно уменьшается по сравнению
со своим средним значением, создается
возможность прямой компенсации скорости
потокаW
скоростьюU
n
.
За счет этого фронт пламени на краю
разворачивается в горизонтальную
плоскость и образуется устойчивая зона
горения – зажигательное кольцо. Эта
область вполне может существовать
самостоятельно.
Фронт пламени в общем случае определяется законом косинуса, а его устойчивость определяется стабилизацией зажигательного кольца. Поэтому определим основные зависимости стабильного факела.
Т.к. все горелки работают при переменных режимах, то возможны такие ситуации, когда скорость потока будет превышать U n , или возможна обратная ситуация.
Отрыв пламени связан с существованием зажигательно кольца и его разрушением. Отрыв произойдет в том случае, если скорость потока превысит критическую скорость отрыва (зона IIна рисунке 8).
На величину скорости отрыва будет влиять несколько факторов. С увеличением диаметра горелки его охлаждающая способностьуменьшается, ипредельная скорость отрыва пламени возрастает (прямые 3,2,1). С обеднением смеси (увеличение первичного воздуха)снижается предельная скорость отрыва. А с уменьшением количества первичного воздуха (диффузионное пламя) предельные скорости будут возрастать.
Проскок возникает тогда, когда U n превышает скорость потока пламени(зона 3 на рис.8).
Проскок пламени связан с охлаждающей
способностью стенок горелки. Условие
отсутствия проскока
.
С увеличением диаметра возрастает
нормальная скорость горения, тем при
прочих равных условиях вероятность
проскока увеличивается, тем больше
должна быть скорость потока, предотвращающая
проскок пламени (кривые 1,2,3 на рис. 8) 1 .
Максимальные скорости отсутствия
проскока будут наблюдаться при значения
избытка воздуха чуть меньших
стехиометрических. Охлаждение устья
горелки применяется для уменьшения
вероятности проскока.
Также существуют методы по стабилизации пламени.
рис 9. Стабилизация с помощью рис. 10. Стабилизация пламени
поджигающего кольца телом V-ой формы.
Н
а
рис. 9 показано устройство осуществляющее
стабилизацию за счет того, что газ через
каналы 2 газ поступает в кольцевую щель
3. При этом создается стабильное
зажигательное кольцо препятствующее
отрыву пламени. На рис. 10 показана
стабилизация потока теломV– образной формы. За счет завихрений
создается подобие зажигательного
кольца, и вероятность отрыва пламени
уменьшается (повышается предельная
скорость).
Туннельный стабилизатор изображен на рис. 11. Газовоздушная смесь выходит из горелки 1 в туннель 3, где образуется факел 2. К корню факела подсасываются продукты сгорания, создается зона возвратного их движения, образуя устойчивое кольцо зажигания. Т.к. если бы подсасывался холодный воздух, то это бы значительно ухудшало условия зажигания.
Изменение формы пламени существенно влияет на характер горения, так как связано с изменением поверхности фронта. Величина поверхности пламени является основным фактором, определяющим скорость горения системы заданного состава. Это следует из того, что все участки пламени, независимо от их формы, эквивалентны при условии, что радиус кривизны пламени много больше ширины его фронта, т.е. во всех практически важных случаях. С увеличением поверхности пламени процесс горения интенсифицируется, увеличивается суммарное количество вещества, сгорающего в единицу времени. Изменение формы пламени обычно связано с движением газа вблизи зоны горения, его турбулизацией; при этом фронт пламени разбивается на ряд мелких очагов и его общая поверхность возрастает. Эту особенность используют, например, для интенсификации топочного процесса искусственной турбулизацией сжигаемого газа.
Рассмотрим, какую форму приобретает пламя самопроизвольно при распространении по неподвижной горючей среде в отсутствие воздействия на него внешних сил – возмущений. Так как среда однородна, все направления равноценны и скорость движения пламени по ним одинакова. При этом фронт пламени, распространяющийся от точечного источника, будет иметь форму сферической поверхности непрерывно увеличивающегося радиуса. При распространении сферического пламени расширение газа приводит к тому, что исходная несгоревшая среда будет оттесняться на периферию. Однако газ при этом не турбулизуется, скорости движения как газа, так и пламени одинаковы по всем направлениям, форма пламени, а при постоянном давлении – и его скорость остаются неизменными.
Другой характерный режим распространения не возмущаемого пламени возникает при поджигании горючей среды аналогичным точечным импульсом у открытого конца длинной трубы. Возникающее пламя первоначально будет сферическим, пока не коснется стенок трубы (рис. 1.1).
Поскольку распространение пламени прекращается около стенок, пламя приобретает форму наружной поверхности шарового сегмента, ограниченной сечением трубы. По мере удаления пламени от точки зажигания и увеличения радиуса его кривизны оно становится все более плоским, совпадая в пределе с поперечным сечением трубы.
Рис. 1.1.
Приведенные соображения позволили установить, что при распространении пламени в отсутствие внешних возмущений две формы пламени являются устойчивыми: сферическая для неограниченного пространства (трехмерная задача) и плоская для бесконечной трубы (одномерная задача). К этим двум типам будет приближаться в пределе форма любого пламени, какой бы она ни была вначале.
Нормальное горение
В отсутствие возмущений процесса горения форма, которую приобретает фронт пламени в процессе его распространения, может быть определена на основании следующих соображений. Каждую точку поверхности пламени можно рассматривать как независимый поджигающий импульс, вокруг которого создается новый элементарный фронт пламени. Через определенный малый промежуток времени в результате наложения таких элементарных фронтов образуется новый суммарный фронт пламени, совпадающий с огибающей всех элементарных сферических фронтов, зарожденных вдоль исходного фронта.
Будем считать плоским рассматриваемый участок пламени АВ (рис. 1.2); при произвольной форме пламени любой достаточно малый его участок также можно считать плоским. Применение описанного принципа построения приводит к заключению, что новое положение пламени А"В" будет параллельно исходному. Распространяя тот же принцип на перемещение фронта пламени произвольной формы, приходим к заключению, что перемещение не возмущаемого пламени происходит в каждой точке фронта по нормали к его поверхности. Поэтому такое горение называется нормальным (или дефлаграционным). Скорость перемещения пламени по неподвижной горючей среде вдоль нормали к его поверхности называется нормальной скоростью пламени U n.
Рис. 1.2.
Величина U n является основной характеристикой горючей среды. Это минимальная скорость, с которой может распространяться пламя по данной среде; она соответствует плоской форме пламени. Величина U n, характеризует не только линейную, но и объемную скорость горения, определяя объем горючей среды, превращающейся в продукты реакции в единицу времени на единице поверхности пламени. Соответственно этому размерность U n, можно представить как см/с или как см3/(см2-с).
Величина U n, сильно зависит от состава горючей среды. Помимо химической специфики реагирующих компонентов на скорость пламени существенно влияют соотношение содержаний горючего и окислителя и концентрации инертных компонентов. Более слабое влияние оказывают изменение начальной температуры горючей среды и общее давление. Ниже приведены максимальные значения U n некоторых горючих смесей при нормальных условиях (в м/с):
- С2Н2 + O2 – 15,4;
- Н2 + О2; – 13;
- Н2 + С12 – 2,2;
- СО + O2 + 3,3% Н2O- 1,1;
- Н2 + воздух – 2,7;
- СО + воздух + 2,5% Н2O – 0,45;
- предельные углеводороды + воздух – 0,32–0,40.
Расширение газа при нагревании в процессе сгорания приводит к тому, что вблизи фронта пламени всегда возникает движение газа, если даже первоначально он был неподвижен. Следующие соображения поясняют, как влияет тепло
вое расширение газа и его турбулизация внешними возмущениями на ход адиабатического горения. При сгорании газа внутри длинной открытой трубы плоское пламя, совпадающее с поперечным сечением трубы, будет неподвижно в том случае, если горючая среда вдувается в трубу с постоянной по сечению скоростью, равной U n. Продукты сгорания истекают из другого конца трубы.
Обозначим через р плотность газа, индексом 0 – величины, характеризующие исходную горючую среду, и индексом b – продукты сгорания. Поскольку газ при сгорании расширяется, скорость уходящих из пламени продуктов реакции U b, > U n. На каждый 1 см2 поверхности пламени поток приносит ежесекундно U n см3 горючей среды, масса которой равна U nr o. Объем удаляющихся от того же участка пламени продуктов реакции равен Ub, а масса – Ubrb. Массы исходного газа и продуктов реакции равны, откуда следует, что
Unro=Ubrb. (1*1)
Уравнение (1.1) выражает закон сохранения вещества для процесса горения.
Мы установили, что и при плоской форме фронта пламя может иметь разные скорости: Un либо U b в зависимости от того, какая среда неподвижна. Соотношения скоростей в горящем газе иллюстрирует схема, показанная на рис. 1.3.
Рис. 13.
U n – нормальная скорость пламени; U b – скорость уходящих из пламени продуктов реакции; T 0 – начальная температура исходной среды; Т b – температура продуктов реакции; r0, rb – плотности исходного газа и продуктов реакции
При ситуации 1 пламя неподвижно; горючая среда, втекающая в трубу, движется направо со скоростью U n; в том же направлении, но со скоростью U b движутся продукты сгорания. Если неподвижна горючая среда (ситуация 2), что имеет место при сгорании в трубе, закрытой с одного конца, то пламя перемещается по ней со скоростью U n, а продукты реакции истекают в противоположном направлении со скоростью U b – U n. В ситуации 3 при поджигании у закрытого конца трубы продукты сгорания неподвижны. При этом пламя движется со скоростью U b по отношению к стенкам трубы (и сгоревшему газу); в ту же сторону со скоростью U b – U n движется сгорающий газ, вытесняемый из трубы расширяющимися продуктами реакции. Скорость пламени но отношению к продуктам сгорания гораздо больше, чем по отношению к исходному газу, – в r0/rb раз.
Величина G = U r, называемая массовой скоростью горения, определяет массу вещества, сгорающего в единицу времени на единице поверхности пламени. Естественно, она одинакова и для исходной, и для конечной среды, а также во всех промежуточных зонах.
Рассмотрим условия сгорания во фронте пламени произвольной формы, расположенном неподвижно в потоке сгорающего газа (в трубе).
Пламя неподвижно в том случае, когда количество сгорающего газа в точности компенсируется количеством поступающего. Если поверхность пламени равна F, то полный объем газа, сгорающего в единицу времени, равен U тF. Ту же объемную скорость можно определить и по-другому: как произведение WS, где W – средняя (по сечению потока) линейная скорость газа; S – поперечное сечение потока. Из равенства обеих величии следует:
Этот результат справедлив и для неподвижной горючей среды, тогда w – скорость перемещения по ней искривленного пламени. Эта скорость во столько раз превосходит нормальную скорость пламени, во сколько раз поверхность пламени больше поперечного сечения потока. При искривлении плоского пламени и увеличении его поверхности скорость пламени соответственно возрастает. Уравнение (1.2), обычно называемое законом площадей , выражает фундаментальную особенность процесса горения: с увеличением поверхности пламени горение интенсифицируется, причем предел такой интенсификации вызывают только описываемые ниже газодинамические особенности.
Искривление поверхности пламени является следствием турбулизации сгорающего газа, самопроизвольной либо вынужденной.
Если сгорающий газ сильно турбулизован и малые элементарные участки холодной горючей среды в значительной степени перемешаны с горячими продуктами сгорания, то пламя уже нельзя рассматривать как поверхность, разделяющую две среды. Возникает размытая турбулентная зона, в которой высока и суммарная скорость химического превращения, что обусловлено чрезвычайно развитой поверхностью пламени.
Режимы флаграционного горения для среды заданного состава различаются только скоростью распространения пламени при различной степени развития его поверхности. Это обстоятельство существенно для разъяснения условности часто используемой терминологии. Понятие "взрыв" в отношении распространения пламени нельзя характеризовать иначе, как достаточно быстрое горение в сильно турбулизованной среде со скоростью пламени порядка десятка – ста метров в секунду. "Медленное" горение отличается о "взрыва" только степенью развития поверхности пламени. Принципиально неотличимы от описанных и другие типы распространения пламени, например характеризуемые терминами "вспышка" и "хлопок". Лишь в том случае, когда скорость пламени становится близкой к скорости звука в горючей среде, процесс горения приобретает новый, качественно особый характер.
Возмущения, искривляющие плоское или сферическое пламя, возникают всегда, даже в отсутствие вынужденного движения газа; их вызывают силы тяжести и трения. Первая приводит к появлению конвективных потоков, обусловленных различием плотностей горючей среды и продуктов сгорания, вторая проявляется при движении газа, горящего в трубе, и его торможении стенками. Действие возмущений удобно проследить на закономерностях горения в длинной трубе, размещенной вертикально, открытой с одного конца. Если поджигать горючую среду у нижнего, открытого конца трубы (рис. 1.4, а ), то создаются условия, благоприятные для развития конвективных потоков, так как несгоревший исходный газ, имеющий большую плотность, расположен выше легких продуктов сгорания. Пламя имеет тенденцию вытягиваться вдоль оси трубы. При поджигании у верхнего, закрытого конца трубы (рис. 1.4, б), не возникают конвективные потоки, однако зона горения интенсивно турбулизуется силами трения. Сгорающий и расширяющийся газ истекает из трубы. Скорость потока горючей среды под влиянием вязкости изменяется по сечению трубы, она максимальна па оси и равна нулю у стенок (рис. 1.5).
Рис. 1.4.
Соответственно искривляется фронт пламени. При поджигании у верхнего открытого конца грубы (рис. 1.4, в ) возможность турбулизации зоны горения минимальна: продукты сгорания находятся выше сгорающего газа, и холодный газ неподвижен. Однако по мере удаления пламени от края трубы возрастает сила трения, и турбулизация распространяется на сгорающий газ.
Если сгорание не сопровождается тепловыми потерями, т.е. протекает адиабатически, то запас химической энергии горючей системы полностью переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Поскольку температура пламени высока, скорости протекающих в нем реакций велики и может быстро устанавливаться состояние термодинамического равновесия. Температура продуктов адиабатического сгорания не зависит от скоростей реакций в пламени, а зависит лишь от суммарного теплового эффекта и теплоемкостей конечных продуктов. Эта температура называется термодинамической температурой горения T b. Величина T b – важнейшая характеристика горючей среды; для распространенных горючих сред она имеет значения 1500–3000 К. В дальнейшем подробно рассматривается, в какой степени сделанные предположения соответствуют реальности и какое значение для задач техники взрывобезопасности имеет тепловой режим горения. При адиабатическом процессе и равновесном состоянии продуктов сгорания T b – максимальная температура, достигаемая в пламени. Фактическая температура равновесных продуктов реакции меньше при возникновении тепловых потерь от горящего газа. Вопрос о тепловых потерях, как видно из дальнейшего, имеет определяющее значение для решения задач обеспечения взрывобезопасности. При стационарном распространении пламени происходит интенсивный перенос тепла кондукцией в холодную исходную горючую среду. Однако этот процесс не связан с тепловыми потерями из зоны горения. Отвод тепла из каждого сгорающего слоя газа в соседний, еще не реагировавший, в точности скомпенсирован эквивалентным подводом тепла в тот же слой на предыдущем этапе, когда он сам был холодным. Нестационарный, некомпенсированный нагрев происходит в начальный момент при поджигании горючей среды исходным импульсом. Однако по мере удаления пламени от точки поджигания это дополнительное количество тепла распределяется между все возрастающим количеством продуктов сгорания, и его роль в дополнительном нагревании непрерывно снижается.
Рис. 1.5.
Из сказанного следует, что при горении возможны потери тепла в результате излучения нагретого газа и при его соприкосновении с твердой поверхностью. Роль теплоотвода излучением рассматривается в дальнейшем изложении, а пока примем, что такие потери пренебрежимо малы для зоны, тепловой режим которой определяет скорость пламени. Охлаждение кондукцией продуктов сгорания при их соприкосновении со стенками сосудов и аппаратов происходит весьма интенсивно, что обусловлено большой разностью температур стенок и газа. Поэтому после завершения горения в сосудах распространенных размеров значительное охлаждение в них продуктов сгорания завершается за время меньше 1 с.
Охлаждение горящего газа стенками также существенно для наших задач. Поскольку теплоотвод в стенки начинается только после того, как их коснется пламя, такие потери сильно зависят от формы и размеров сосуда, в котором происходит реакция, и положения точки зажигания. При сгорании в сферическом сосуде и центральном поджигании тепловые потери кондукцией возникают только после завершения горения.
Температура горения определяется законом сохранения энергии при адиабатическом переходе химической энергии горючей среды в тепловую энергию продуктов сгорания. Очевидно, что компоненты горючей смеси не эквивалентны. Запас химической энергии определяется содержанием недостающего по стехиометрическим соотношениям компонента, расходуемого при реакции полностью. Часть другого компонента, избыточного, остается при взаимодействии непрореагировавшей. Она равна разности между начальным содержанием избыточного компонента и количеством, необходимым для полного связывания недостающего компонента. Если увеличить содержание недостающего компонента за счет содержания инертного, не участвующего в реакции, то мольный запас химической энергии горючей смеси возрастет. Подобная замена для избыточного компонента оставляет химическую энергию неизменной.
Поясним приближенно, как реализуется закон сохранения энергии при сгорании. Запас химической энергии горючей системы будем считать равным π1Q), где π1 – концентрация недостающего компонента; Q – тепловой эффект его сгорания. Тепло реакции расходуется на нагревание всех компонентов смеси: образовавшихся продуктов взаимодействия, избыточного и инертных компонентов. Если С – средняя теплоемкость того количества продуктов сгорания, которое образовалось из 1 моля исходной смеси, то приращение запаса физического тепла равно С (Т b – T 0), где Т 0 – исходная температура горючей среды. По условию адиабатичности
Точное вычисление состояния продуктов адиабатического сгорания много сложнее.
При адиабатическом сгорании величина температуры горения определяет плотность конечных продуктов, а значит, и связь между скоростями пламени U n и U b. При этом необходимо учитывать, что в результате реакции число молекул в единице массы изменилось в п раз. Согласно законам идеальных газов
Значение п в процессах горения большей частью близко к единице. Так, при превращении стехиометрической смеси 2СО + O2 (сгорание до 2СO2) п = 2/3, для аналогичной смеси СН4 + 2O2 (сгорание до СO2 + 2Н2O) п = 1 и т.д. При сгорании смесей нестехиометрического состава и смесей, содержащих инертные компоненты, общее число молекул (с учетом содержаний компонентов, не участвующих в реакции) изменяется еще меньше.
При адиабатическом сгорании температура газа возрастает в 5–10 раз. Если при сгорании давление остается постоянным и газ свободно расширяется, а п= 1, то во столько же раз изменяется и его плотность и таково же отношение U b к нормальной скорости пламени. Если адиабатическое сгорание происходит без расширения газа, в замкнутом сосуде, то давление возрастает примерно в такой же степени. Это и обусловливает разрушающее действие быстрого сгорания в закрытом сосуде.
Понятие "горение" нельзя сформулировать однозначно. Мы будем называть горением самоускоряющееся быстрое химическое превращение, сопровождающееся интенсивным тепловыделением и испусканием света. Соответственно пламенем (горячим) будем называть газообразную среду, в которой интенсивная химическая реакция приводит к свечению, тепловыделению и значительному саморазогреву.
Такие определения удобны, но не вполне четки и универсальны. Трудно указать точно, какая реакция является достаточно быстрой, чтобы ее можно было считать горением. Еще менее четким является понятие взрыва. В дальнейшем мы познакомимся с существованием холодных пламен, в которых химическая реакция сопровождается свечением, но протекает с умеренной скоростью и без заметного разогрева.
Согласно Д. Л. Франк-Каменецкому, "горением называется протекание химической реакции в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе тепла или катализирующих продуктов реакции" . Здесь очевидно стремление охватить явления и теплового, и автокаталитического развития реакции. Однако такое обобщение приводит к тому, что под это определение подпадают явления, которые никак нельзя причислить к процессам горения. К ним придется отнести беспламенные реакции в газовой и жидкой фазах, сопровождающиеся ограниченным самоускорением, но не переходящие в тепловой или ценной взрыв, когда скорость реакции достигает умеренного максимума либо происходит разбрызгивание компонентов неоднородной горючей среды.
Ограничить процессы горения условием полноты реакции было бы недопустимо, так как во многих безусловно взрывных процессах реакция остается незавершенной.
Трудности в определении горения признают Б. Льюис и Г. Эльбе: "Понятия горения, пламени и взрыва, довольно гибкие, по-прежнему употребляются несколько произвольно" .
Осложнения в определении горения отражают отсутствие резких границ у комплекса физико-химических явлений, специфических для горения. Самоускорение реакции, саморазогрев, накопление активных продуктов, излучение различной интенсивности и длины волны существуют в процессах и относящихся, и не относящихся к категории горения; различие оказывается только количественным. По этой причине всякое определение горения будет неточным или неполным.
Развитые представления позволяют предположить, что для протекания процесса по типу горения требуется выполнение только двух условий: данная реакция должна быть экзотермической и должна ускоряться с повышением температуры. Последнее характерно для большинства химических процессов, поэтому, казалось бы, любая экзотермическая реакция может развиваться в режиме горения. Из дальнейшего следует, что для существования устойчивого горения требуется выполнение еще одного важного дополнительного условия, связанного с распространением фронта пламени в горизонтальной трубе.
Некоторые особенности протекания экзотермической реакции отличаются при ее протекании в трубе. При поджигании горючей среды со стороны открытого конца пламя приобретает специфическую, вытянутую с наклоном вперед форму (рис. 1.6).
Рис. 1.6.
1 – граница соприкосновения пламени; 2 – передняя граница изображения пламени (пересечение фронта и плоскости симметрии); М – точка максимальной скорости газа
На определенной части пути после инициирования горение протекает стационарно, с постоянной скоростью. По мере возрастания отношения h/d, где h – высота столба продуктов сгорания, в пределе – длина трубы; d – диаметр трубы, силы трения газа о стенки настолько возрастают, что вызывают прогрессирующую турбулизацию газа в зоне горения и нестационарное ускорение пламени в соответствии с законом площадей.
Наклонная форма пламени в горизонтальной трубе обусловлена большим различием плотностей исходной среды и продуктов сгорания. Фронт пламени является границей раздела этих двух сред. Чтобы пояснить последствия различия их плотностей, воспользуемся следующей аналогией. В горизонтальной трубе (рис. 1.7, а ) находятся две несмешивающиеся жидкости разной плотности, например ртуть (справа) и вода (слева), разделенные вертикальной перегородкой. Если перегородку удалить, то различие плотностей вызывает движение жидкостей: тяжелая ртуть потечет налево и вниз, вода будет располагаться над ртутью, двигаясь направо и вверх. Граница раздела окажется наклоненной вперед, ее поверхность непрерывно возрастает (рис. 1.7, б ). Аналогичные потоки возникают при горении газа, однако превращение тяжелой горючей среды в легкие продукты реакции препятствует неограниченному увеличению поверхности пламени, размеры и форма которого становятся стационарными. Отклонение верхнего участка фронта пламени в сторону продуктов сгорания обусловлено торможением газа около стенки под влиянием трения.
Рис. 1.7.
а – до удаления перегородки; б – после удаления перегородки
Форма стационарного пламени (па участке равномерного распространения) определяется соотношениями между нормальной скоростью пламени и скоростью движения газа на соответствующих участках фронта. Рассмотрим эти соотношения для наиболее выдвинутой точки фронта М (см. рис. 1.6), где пламя нормально оси трубы, а значит, и направлению перемещения всего фронта. Суммарная скорости пламени вдоль оси трубы U f в точке М также складывается из скорости пламени по отношению к газу U n и составляющей скорости движения самого газа в том же направлении W M:
Для любого малого наклонного участка пламени АВ (рис. 1.8), образующего угол в с осью трубы, перемещение пламени по газу вдоль нормали к AВ со скоростью U n (до положения А"В" ) связано, очевидно, с движением пламенного элемента вдоль оси трубы со скоростью U n/ sinβ. Общая скорость перемещения элемента пламени вдоль оси трубы так же, как и для точки М , складывается из самой скорости горения в этом направлении и составляющей скорости газового потока W. Поскольку форма пламени стационарна, значит и скорости всех его элементов равны:
(1.6)
В каждой точке пламени его наклон определяется локальным значением составляющей скорости газового потока вдоль оси. Так как U n/sinβ > U n, W M > W, скорость газа максимальна в точке М. Величина W уменьшается вблизи стенок и даже становится отрицательной (там, где горючая среда "подтекает" под слой продуктов сгорания). Участок пламенной поверхности АВ, перемещающийся в нижнюю часть трубы, заменяется новым, генерируемым в поджигающей точке М.
Рис. 1.8.
С увеличением диаметра трубы усиливается конвекция горящего газа, при этом суммарная скорость пламени возрастает приблизительно пропорционально квадратному корню из d. С увеличением нормальной скорости пламени возрастает и U f (при d = const), по медленнее, чем U n. При определенном значении U n наблюдается резкий переход формы пламени от наклонной к полусферической.
Со стационарным режимом горения в потоке часто приходится сталкиваться при пользовании бунзеновской горелкой. Это простейшее, казалось бы, приспособление представляет собой трубку, через которую непрерывно подастся горючая среда. При ее поджигании на выходе из горелки образуется стационарное пламя – бунзеновское, форма которого близка к конической. Закономерности, характеризующие бунзеновское пламя, были установлены работами одного из основателей теории горения В. А. Михельсона.
Стационарное горение в бунзеновском пламени возможно при различных скоростях потока. При изменении этой скорости соответственно изменяется и форма бунзеновского конуса, а с нею и его поверхность – по закону площадей. При этом основание конуса остается неизменным, приблизительно совпадая с выходным сечением горелки, а высота возрастает в быстром потоке и уменьшается в медленном. Устойчивое горение, при котором происходит такое саморегулирование формы пламени, возможно в широком диапазоне скоростей газового потока. Лишь при очень большой скорости газа происходит срыв пламени, его затухание. Если же скорость газа становится достаточно малой, в среднем близкой к U n, пламя распространяется навстречу потоку, входя внутрь горелки, – происходит "проскок" пламени.
Рис. 1.9.
Горение в бунзеновском пламени осложняется вторичным взаимодействием продуктов неполного сгорания с атмосферным воздухом, если сжигаемая смесь содержит избыток горючего. При этом образуется вторичный, так называемый внешний бунзеновский конус пламени в дополнение к основному, внутреннему. Чтобы предотвратить возникновение внешнего конуса, пламя горелки иногда окружают средой инертного газа.
Закономерности, определяющие форму бунзеновского пламени, можно установить, рассматривая поведение плоского (малого) участка стационарного пламени Л В в потоке сжигаемого газа (рис. 1.9).
Если бы газ был неподвижен, то пламя перемещалось бы вдоль нормали к AВ со скоростью U n, а вдоль потока – со скоростью U n/sin β, где β – угол между AВ и осью трубы. Эта составляющая скорости горения равна локальной скорости потока W, поскольку пламя неподвижно:
Уравнение (1.7), полученное В. А. Михельсоном, является частным случаем уравнения (1.6) – для неподвижного пламени (U f= 0); отрицательное значение скорости газа показывает, что направления скорости газа и пламени противоположны. Уравнение (1.7) определяет для каждой точки поверхности пламени величину угла β, а значит, и стационарную форму всего пламени в целом. Если в какой-либо точке бунзеновского конуса нормальная к пламени составляющая скорости газового потока окажется больше нормальной скорости пламени, то газовый поток будет относить данный элемент пламени от устья горелки. При этом возрастает наклон пламенного элемента к оси потока (так как основание конуса фиксировано), и угол β будет уменьшаться, пока составляющая скорости потока не сравняется с U n. Обратные изменения произойдут в случае, когда Wsin β < U n.
Если бы скорость газа была постоянной по всему сечению потока, то пламя не имело бы искривлений и бунзеновский конус был бы прямым. При ламинарном течении газа в трубе распределение скоростей по сечению является параболическим, оно определяется законом Пуазейля
(1.8)
где W (r ) – скорость потока на расстоянии r от оси трубы; R 0 – радиус трубы; W 0 = W (r= 0) – максимальная скорость течения.
Среднюю скорость потока W, равную расходу газа на единицу сечения трубы, вычисляем усреднением:
(1.9)
т.е. W вдвое меньше W 0. При этом следует иметь в виду, что после выхода газа из горелки распределение скоростей в потоке несколько изменится. В случае распределения скоростей газа по закону Пуазейля при равных W конусы пламени для всех горелок геометрически подобны.
Мы уже видели, что существование бунзеновского пламени в широком диапазоне скоростей потока сжигаемого газа обусловлено стабильностью основания конуса, фиксацией пламени у кольца среза горелки. Такая стабилизация обусловлена особенностями горения в этой зоне. Опыт показывает, что между основанием пламени и срезом горелки имеется небольшой просвет, горение начинается на определенном расстоянии от края трубы. Это обусловлено тем, что у поверхности горение невозможно, так как стационарная температура газа в этой зоне слишком низка. По этой же причине невозможен проскок пламени в трубу вдоль стенок, где скорость газового потока меньше U n.
В зоне стабилизирующего кольца на определенном расстоянии от края горелки горение становится возможным, однако скорость пламени в этой зоне меньше U n вследствие тепловых потерь. По мере удаления от края горелки и прекрашения торможения потока стенкой возрастает и скорость газа вдоль кольца r = R 0. На определенной высоте она сравнивается со скоростью пламени.
В этих точках устойчиво фиксируется пламя: ближе к краю горелки невозможно горение, на большем удалении скорость пламени больше скорости газа и пламя будет приближаться к горелке, пока обе скорости не сравняются. По такому же механизму пламя может стабилизироваться в потоке горючей среды вблизи различных неподвижных преград, например около проволочного кольца, помещаемого выше горелки, или у конца стержня, находящегося внутри горелки. В последнем случае образуется так называемый обращенный бунзеновский конус, перевернутый основанием вверх и стабилизированный в одной неподвижной точке – у его вершины.
Как показывает анализ теплового режима горения, при нахождении стационарного пламени внутри трубы тепло отводится от газа к стенке, и пламя направлено выпуклостью в сторону несгоревшего газа, т.е. имеет форму мениска. При большой интенсивности теплоотвода, т.е. у самой стенки, оно вообще не может существовать и обрывается на некотором расстоянии от нее, так же как и при его нахождении вне трубы, выше устья горелки. Мы видим, что горение в бунзеновском пламени, несмотря па простоту этого приспособления, является весьма сложным процессом, отличающимся многими специфическими особенностями.
При стационарном процессе горения положение фронта пламени в потоке остается неизменным. Рассмотрим схематическое изображение факела пламени в потоке горючей смеси. Если скорость W была бы равной нулю, то мы имели бы сферическое распространение пламени с точечным источником в центре. Однако поток сдувает пламя в направлении своего движения и в то же время пламя перемещается навстречу потоку свежей горючей смеси со скоростью U n .
Рис.3.4. Схема стационарного фронта пламени
В результате наступает равновесие, при котором фронт пламени занимает стационарное положение, а поток приносит в зону горения свежие порции горючей смеси.
Рассмотрим элемент фронта пламени. Скорость потока W может быть разложена на нормальную и тангенциальную составляющие W n и W τ , которые стремятся снести фронт горения. В направлении нормали n - n скорость уравновешивается нормальной скоростью распространения пламени +U n .
Очевидно, если скорость W изменится, то фронт пламени займет новое положение и установится под таким углом α, при котором проекция скорости на нормаль n - n станет равной нормальной скорости горения U n . При этом сама скорость U n для данной смеси, естественно, является постоянной величиной (Рис.3.5). Таким образом, получим первое условие существования стационарного фронта пламени
│ U n │=│W│cos α (3.2)
Это выражение установлено в 1890 г. русским физиком В.А. Михельсоном и носит название "закона Михельсона", или "закона косинуса". Согласно этому закону проекция скорости набегающего потока на нормаль к поверхности стационарного фронта пламени всегда равна нормальной скорости горения.
W">W W" >W α">α
Рис.3.5. Положение стационарного фронта пламени в потоках с разной скоростью
Рассматривая участок фронта, примыкающий к источнику поджигания, становится ясно, что на место сносимых горящих частиц не будут приходить новые, если источник перестанет работать. Компенсация уноса пламени в тангенциальном направлении осуществляется постоянно действующим источником поджигания стационарного фронта пламени.
Таким образом, существуют два необходимых и достаточных условия существования стационарного фронта пламени в потоке горючей смеси:
1. Равенство проекции скорости распространения пламени на нормаль и нормальной составляющей к фронту пламени от скорости
потока.
2. Наличие постоянно действующего источника поджигания
с достаточной интенсивностью.
Очевидно, если W τ = 0, то фронт пламени перпендикулярен потоку и второе условие отпадает.
Хорошей иллюстрацией расположения ламинарного фронта пламени в потоке является пламя горелки Бунзена. Устройство горелки обеспечивает предварительное смешение горючего и окислителя, то есть топлива с воздухом. При поджигании смеси пламя, распространяясь по ней, стремится войти внутрь горелки, однако этому препятствует встречный поток. В результате устанавливается устойчивое динамическое равновесие, а стационарный фронт пламени принимает форму, при которой в каждой его точке нормальная к фронту составляющая скорости равна скорости распространения пламени в смеси данного состава при данных условиях.
Одни из первых исследователей этого вопроса Малляр и Ле-Шаталье назвали зону горения "голубым конусом", на поверхности которого в каждой точке выполняется закон Михельсона.
Механизм стабилизации пламени в горелке Бунзена иллюстрируется рис.3.6.
Рис.3.6. Схема образования фронта пламени в горелке Бунзена
Геометрическое место точек стабилизации С образует кольцо, располагающееся на некотором расстоянии от среза сопла горелки. В неподвижной смеси после поджигания пламя от точек С начнёт сферически распространяться и фронты пламени сомкнутся в точке В на оси потока.
При движении смеси каждая точка фронта пламени сносится потоком одновременно с расширением сфер и в результате образуется конический фронт пламени с вершиной в точке В касания сфер.
При постоянных значениях скорости в выходном сечении горелки и U n фронт пламени должен иметь правильную коническую форму. Однако вследствие роста U n у вершины пламени из-за нагрева смеси и снижения её около холодных стенок у основания конуса пламя имеет закругление. Если горючая смесь имеет α ≤1, то кислорода в смеси не хватает для полного её сгорания и оставшееся горючее догорает во вторичном, диффузионном фронте пламени в окружающем воздухе. Диффузионный фронт пламени имеет характерный желтый цвет.
Метод горелки Бунзена является одним из самых распространенных для определения нормальной скорости горения.
Тема 7. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ.
7.1. Тепловая теория горения.
При адиабатическом, т.е. не сопровождающемся тепловыми потерями сгорании, весь запас химической энергии горючей системы переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Температура продуктов адиабатичес-кого сгорания не зависит от скорости реакций, протекающих в пламени, а лишь от их суммарного теплового эффекта и теплоемкостей конечных про-дуктов. Эта величина называется адиабатической температурой горения Т г. Она является важной характеристикой горючей среды. У большинства горючих смесей величина Т г лежит в пределах 1500-3000° К. Очевидно, что Т г – максимальная температура продуктов реакции в отсутствие внешнего по-догрева. Фактическая температура продуктов сгорания может быть только меньше Т г в случае возникновения тепловых потерь.
Согласно тепловой теории горения, разработанной советскими уче-ными Я.Б. Зельдовичем и Д.А. Франк-Каменецким, распространение пламени происходит путем передачи тепла от продуктов горения к несгоревшей (све-жей) смеси. Распределение температур в газовой смеси с учетом тепловыде-ления от химической реакции и теплопроводности показано на рис. 26.
Фронт пламени, т.е. зона, в которой происходит реакция горения и ин-тенсивный саморазогрев сгорающего газа, начинается при температуре само-воспламенения Т св и заканчивается при температуре Т г.
Перед распространяющимся вправо фронтом пламени находится све-жая смесь, а сзади – продукты горения. Считается, что в зоне подогрева ре-акция протекает настолько медленно, что выделением тепла пренебрегают.
Процесс теплопередачи при стационарном распространении пламени не приводит к потерям тепла и понижению температуры по сравнению с Т г непосредственно за фронтом пламени. Теплоотвод из каждого сгорающего слоя газа при поджигании соседнего, еще не нагретого, скомпенсирован аналогичным количеством тепла, ранее полученным в поджигающем слое при его собственном поджигании. Дополнительное тепло начального поджи-гающего импульса заметно не искажает стационарного режима горения, так как его роль все более уменьшается по мере увеличения количества сгорев- шего газа.
Продукты сгорания теряют тепло только в результате излучения и при соприкосновении с твердой поверхностью. Если излучение незначительно, такое сгорание оказывается практически адиабатическим. Заметные тепловые потери возможны лишь на определенном расстоянии за фронтом пламени.
Таким образом, инициирование горения газовой смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащего слоя, который разогревается путем тепло-проводности от продуктов реакции до самовоспламенения. Сгорание этого слоя влечет за собой воспламенение следующего и т.д. до полного выгорания горючей смеси. Отводимое из зоны реакции тепло в свежую смесь полностью компенсируется выделением тепла реакции и возникает устойчивый фронт пламени. В результате послойного сгорания фронт пламени перемещается по смеси, обеспечивая распространение пламени.
Если свежая смесь движется навстречу фронту пламени со скоростью, равной скорости распространения пламени, то пламя будет неподвижным (стационарным).
Теоретическое обоснование условий распространения пламени можно привести при рассмотрении стационарного пламени, когда скорость его рас-пространения U пл равна скорости подачи газовой смеси υ г: U пл =υ г (рис. 27). В данном случае соотношение между нормальной скоростью горения U н и ско-ростью распространения пламени U пл выразится уравнением:
U н = U пл * sinφ . (7.1)
К свежей смеси от единицы поверхности пламени в единицу времени путем теплопроводности подводится количество тепла:
(7.2)
где: - коэффициент теплопроводности;
Ширина фронта пламени.
Это тепло расходуется на нагрев свежей смеси от начальной темпера-туры Т о до температуры горения Т г:
где: с – удельная теплоемкость;
Плотность смеси.
С учетом уравнений (7.2) и (7.3) при U пл =υ г скорость распространения пламени определяется соотношением:
(7.4)
где: - коэффициент температуропроводности.
Поскольку скорость горения очень сильно зависит от температуры, сгорание основной массы газа происходит в зоне, температура которой близ-ка к Т г.
Скорость химической реакции, как рассмотрено в § 6.1., определяется уравнением:
. (7.5)
Тогда скорость распространения пламени:
где: b – показатель, зависящий от свойств смеси, .
Таким образом, пламя не сможет распространяться по горючей смеси, если его температура будет ниже теоретической температуры горения на ве-личину превышающую (см. § 9.3).
- характеристический интервал температур в химической кинетике. Изменение температуры на эту величину приводит к изменению скорости реакции в “e” раз.
Предельное значение скорости распространения пламени U ПРЕД опреде-ляется соотношением:
(7.7)
В отличие от рассмотренного случая нормального горения, в реальных условиях взрывов в замкнутом пространстве процесс дефлаграционного горе-ния самоускоряется. Это связано с расширением поверхности горения, воз-никновением движения газов и повышением давления при горении.
7.2. Горение в замкнутом объеме.
При горении газов в открытой трубе и в потоке продукты реакции свободно расширяются, давление остается практически постоянным. Сжигание в замкнутом сосуде связано с ростом давления. Это имеет большое значение для решения задач взрывобезопасности. Повышение давления при сгорании в замкнутых аппаратах, а также в помещениях, может приводить к разрушениям и авариям.
При горении без тепловых потерь (адиабатическом горении) в замкну-том объеме в результате повышения температуры с Т о до температуры горе-ния Т г и изменения числа грамм-молекул при реакции давление возрастает с Р о до Р г:
(7.8)
где: m, n – число молей веществ до и после взрыва стехиометрическо-
го состава смеси.
Однако наибольшее давление развивается не для стехиометрических смесей, хотя они обладают наибольшей теплотой сгорания и создают макси-мальную Т г, а смеси, обогащенные горючим веществом, которые имеют мак-симальную скорость горения. При дефлаграционном горении давление дос-тигает 7-10 атм., при детонации – намного выше.
Характерной особенностью процесса сгорания в замкнутом объеме является неравномерность распределения температуры продуктов реакции непосредственно после сгорания. Первоначально сгорающая часть горючей смеси, находящаяся в центре сосуда, реагирует при начальном давлении р о ; последний слой, сгорающий у стенки, реагирует при конечном давлении р .
Нагревание каждого слоя газа протекает в две стадии: при химическом превращении и адиабатическом сжатии. Хотя во всех точках объема состав продуктов сгорания и давление одинаковы, конечная температура существенно зависит от последовательности обоих нагревающих процессов. При адиабатическом сжатии от давления р о до давления р рост температуры от Т о до Т определяется уравнением Пуассона
, (7.9)
где: g = с р /с v .
Конечная температура продуктов сгорания будет выше в том случае, ес-ли газ сначала нагревается при химическом превращении, а затем его темпе- ратура возрастает при сжатии по уравнению (7.9), чем в случае обратной пос-ледовательности обоих процессов.
7.3. Движение газов при горении.
Расширение газов в пламени (по закону Гей-Люссака) приводит к тому, что горение всегда сопровождается движением газов. Обозначим через ρ г – плотность исходной среды, ρ пр – плотность продуктов горения, их скорость по отношению к неподвижному фронту пламени равна u пр. На каждый квад-ратный сантиметр поверхности фронта поток приносит ежесекундно u н см 3 горючей смеси, её масса равна u н* ρ г соответственно от этого участка пламени отводится в 1 сек u пр см 3 продуктов реакции с массой u пр* ρ пр. Поскольку мас-сы сгорающей смеси и продуктов реакции равны, то
u н* ρ г = u пр* ρ пр (7.10)
Уравнение (7.10) выражает закон сохранения массы при горении.
Величина u пр превосходит нормальную скорость пламени во столько раз, во сколько плотность исходной среды больше плотности продуктов сгорания. Увеличение скорости газового потока при сгорании является след-ствием расширения газов.
Абсолютная температура при сгорании повышается в 5–10 раз. Если горение происходит при постоянном давлении, газ расширяется в r о /р пр раз. Рассмотрим горение стационарного фронта пламени в открытой трубе, изоб-раженной на рисунке 28.
Рис. 28. Схема пояснения закона площадей: S – сечение трубы, F – поверхность фронта пламени, ω - скорость исходной горючей смеси, Т 0 , - температура и плотность исходной смеси, U H – нормальная скорость горения, U ПЛ – скорость рас-пространения пламени, U ПР – скорость продуктов горения, Т ПР, - температура и плотность про-дуктов горения.
Так как пламя располагается неподвижно, ω = U ПР. Тогда, например, на 1 см 2 поверхности фронта пламени F поток приносит ω см 3 /с горючей смеси. Её масса равна ω. Соответственно от этого участка отводится U ПР см 3 /с продуктов сгорания с массою U ПР . Тогда по закону сохранения масс (уравнение 7.10) при ω = U ПЛ:
(7.11)
Таким образом, объемная скорость продуктов сгорания превышает ско-рость горения во столько раз, во сколько плотность исходной среды больше плотности продуктов горения.
С другой стороны, если на 1 см 2 поверхности фронта пламени сгорает U Н см 3 /с смеси, то на всей площади F сгорает U Н *F см 3 /с. В то же время объ-ем сгорающего газа равен объемной скорости газового потока ω*S см 3 /с. То-гда U H *F = ω*S, или ω = U H *F / S.
При равенстве ω =U ПЛ:
U ПЛ = U H * F / S . (7.12)
Получаем закон площадей : скорость распространения пламени в трубе будет во столько раз больше нормальной, во сколько поверхность пламени превосходит поперечное сечение трубы.
Если рассматривать неподвижную горючую смесь, то при распростра-нении фронта пламени резко нагретые газы не успевают расширяться, и в зо-не горения резко повышается давление, которое «распирает» и выталкивает газы в обе стороны от пламени, причем выталкиваются не только продукты горения, но и возникает движение исходной смеси впереди фронта пламени, как на рисунке 29:
Скорость газов возрастает по мере сгорания исходной смеси и соответ-ственно, давления газов. При этом с одного конца трубы выбрасываются сжа-тые раскаленные сгоревшие газы, а с другого выталкивается сжатая исходная смесь, которая взрывообразно воспламеняется от выброшенного пламени в атмосфере помещения с последующей ударной волной, пожаром и разруше-нием.
7.4. Факторы ускорения горения.
Различные режимы дефлаграционного горения отличаются только ско-ростью распространения пламени в связи с неодинаковым развитием повер-хности фронта пламени. Горение первоначально неподвижного газа всегда осложняется внешними возмущающими воздействиями, искажающими фор-му пламени. Важнейшими из них являются сила тяжести, трение и турбули-зация горящей смеси.
Так, при поджигании в середине вертикальной трубы, как показано на рисунке 30, тяжелая исходная смесь распола- гается выше легких продуктов сгорания. При этом возникают конвективные потоки движения исходной смеси вниз, а про-дуктов горения – вверх. Под их влиянием фронт пламени рас-тягивается и горение ускоряется.
При распространении пламени вниз горючая среда не-подвижна и возмущение фронта пламени незначительно. При малых скоростях горения и длине трубы форма пламени близка к плоской.
Однако в этом случае газ также движется вниз по трубе вследствие расширения при сгорании. Трение движущегося газа о стенки приводит к снижению его скорости у периферии и растягиванию фронта пламени, и про-филь скоростей фронта пламени также принимает вид купола. Поверхность пламени прогрессивно увеличивается и горение ускоряется.
Достаточно быстрое сгорание, при котором скорость пламени достигает сотен м/сек, происходит при турбулизации газовой смеси и соответственно, при турбулизации фронта пламени. Турбулизация вызывает значительное разрастание фронта пламени, ускорение теплообмена между продуктами сго-рания и исходной смесью и, соответственно, горения. Такое горение часто называют взрывом.
7.5. Условия возникновения взрыва.
Как мы выяснили ранее, взрывом называется химическое или физиче-ское превращение вещества, сопровождающееся крайне быстрым переходом его энергии в энергию сжатия и движения исходных веществ, продуктов их превращения и окружающей среды. Исходя из этого, химический взрыв – это крайне быстрая реакция горения, сопровождающаяся резким переходом вы-делившейся тепловой энергии в энергию сжатия и движения исходных ве-ществ, продуктов сгорания и окружающей среды.
Взрыв состоит из трех стадий:
1) превращение химической энергии реакции в тепловую энергию;
2) превращение тепловой энергии в энергию сильно сжатого газа;
3) распространение сжатого газа в виде ударной волны.
Основными условиями протекания химической реакции в виде взрыва являются:
1. Экзотермичность , которая обусловлена тем, что прочность связей между атомами в продуктах реакции намного выше, чем в исходных вещест-вах, поэтому «лишняя» энергия высвобождается. При эндотермических реак-циях взрыва не происходит.
2. Образование газов , потому что:
· во-первых, переход в газообразное состояние при химической реак-ции любых веществ в постоянном объеме ведет к возрастанию дав-ления;
· во-вторых, газы имеют очень большой коэффициент объемного рас-ширения при нагреве. Без наличия газов будет происходить только разогрев вещества.
3. Высокая скорость реакции и ее способность к самораспростране-нию и самоускорению . Самораспространение происходит за счет либо теп-ловой «волны», осуществляемой теплопроводностью (дефлаграционный взрыв), либо ударной волны сжатых газов (детонация).
Тепловая «волна» поддерживается выделяющимся при горении теплом, а ударная волна – самим сжатым газом.
Автоускорение реакции и возникновение взрыва происходит в резуль-тате повышения температуры реагирующих веществ за счет теплоты реак-ции, либо увеличения активных радикалов, либо повышения давления в ударной волне.